ΕΔΑΦΙΚΗ ΣΚΟΝΗ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΚΑΙ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ

Στα πλαίσια της ενεργειακής μετάβασης, η αιολική και η ηλιακή είναι οι κυρίαρχες εναλλακτικές μορφές ενέργειας. Μετά τα αιολικά, τα ηλιακά πάρκα κατέχουν το μεγαλύτερο κομμάτι στο ενεργειακό χαρτοφυλάκιο των ΑΠΕ. Ειδικά σε περιοχές με έντονη ηλιοφάνεια μπορούν να συμβάλλουν καθοριστικά στην κάλυψη των ενεργειακών αναγκών. Ωστόσο, η μεταβλητή φύση της ηλιακής ακτινοβολίας καθιστά δύσκολή την ενσωμάτωση της στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Συνεπώς υπάρχει ανάγκη για σωστή κατανόηση, περιγραφή και πρόβλεψη της χωρικής και χρονικής μεταβλητότητας της. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να μελετηθεί η επίδραση της εδαφικής σκόνης στην ηλιακή ακτινοβολία και κατ’ επέκταση στην παραγωγή ενέργειας από Φ/Β. Η μελέτη της επίδρασης της σκόνης στο ηλιακό δυναμικό πραγματοποιήθηκε με την χρήση του ατμοσφαιρικού μοντέλου ΣΚΙΡΩΝ/dust το οποίο περιέχει υποσυστήματα για την μοντελοποιήση της εκπομπής, της μεταφοράς και του κύκλου ζωής σωματιδίων σκόνης στην ατμόσφαιρα όπως επίσης και για την επίδρασή τους στο ισοζύγιο ακτινοβολιών. Η περιοχή μελέτης είναι η ευρύτερη περιοχή της Μεσόγειου. Έλεγχοι ευαισθησίας που πραγματοποιήθηκαν κατά την διάρκεια επεισοδίων σκόνης καταδεικνύουν ότι η επίδραση της σκόνης αποτελεί σημαντική παράμετρο για την πρόβλεψη της ισχύος από Φ/Β, ειδικά τους μήνες όπου έχουμε έντονα επεισόδια και σημαντική παράμετρο αβεβαιότητας για προγνωστικά συστήματα που δεν την λαμβάνουν υπόψιν τους.Wind and solar are the key players in the renewable energy industry. Solar energy has a significant share in the renewables portfolio and great potential to support the energy needs especially in areas with prolonged sunshine. However, solar energy is a resource affected by several atmospheric parameters that pose significant spatial and temporal variability that need to be accurately understood and modeled in order for solar power to efficiently integrated into the electrical grid. The aim of this work is to study the impact of mineral dust on the surface solar radiation and as a result on the solar power production. The modeling system used for this analysis is the atmospheric model SKIRON/dust. SKIRON/dust incorporates advanced modules to describe the emission, advection and life cycle of dust particles in the atmosphere and also the aerosol feedbacks on the radiation balance. The study area extends over the Mediterranean basin. Sensitivity tests that performed, during periods of high aerosol loads, denote that the presence of dust aerosols in the atmosphere play a significant role in solar power production estimation and should be considered as a factor of uncertainty in forecast systems that do not encounter dust-radiation interaction features

Ανάπτυξη αλγορίθμων για τον υπολογισμό των επιδράσεων των σωματιδίων φυσικής προέλευσης στη διάδοση της ηλιακής ακτινοβολίας και στο ενεργειακό ισοζύγιο

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη των μηχανισμών παραγωγής και μεταφοράς σωματιδίων εδαφικής σκόνης, η ανάπτυξη νέων μηχανισμών περιγραφής της επίδρασης της σκόνης στο ενεργειακό ισοζύγιο σε μοντέλα ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας και η εφαρμογή των παραπάνω στην ευρύτερη περιοχή της Μεσογείου. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της διατριβής επαναπροσδιορίζουν τις περιοχές που λειτουργούν σαν πηγές σωματιδίων σκόνης φυσικής προέλευσης και βελτιώνουν τις διεργασίες παραγωγής, μεταφοράς και εναπόθεσης. Παράλληλα αναπτύχθηκαν κατάλληλοι αλγόριθμοι για την προσαρμογή του νέου μοντέλου ακτινοβολίας RRTMG στο σύστημα SKIRON με τελικό στόχο την ποσοτικοποίηση των άμεσων επιδράσεων της σκόνης στο ενεργειακό ισοζύγιο. Η ύπαρξη σωματιδίων φυσικής προέλευσης στην ατμόσφαιρα ελαττώνει το ποσοστό της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας στο έδαφος μέσω σκέδασης και απορρόφησης. Κατά τη διάρκεια της ημέρας το ποσοστό της ενέργειας που απορροφάται από το νέφος σκόνης θερμαίνει το στρώμα της ατμόσφαιρας στο οποίο βρίσκεται. Αντίθετα κατά τη διάρκεια της νύχτας ακτινοβολεί θερμαίνοντας τα υποκείμενα και παρακείμενα στρώματα της ατμόσφαιρας, ενώ ψύχεται το ίδιο. Παράλληλα το στρώμα της σκόνης παγιδεύει την εξερχόμενη υπέρυθρη ακτινοβολία από το έδαφος, θερμαίνοντας τα επιφανειακά στρώματα. Η επίδραση της σκόνης έχει εμφανείς επιδράσεις και στην απόδοση του μοντέλου, όσον αφορά στην αναπαράσταση της θερμοκρασίας, της ταχύτητας του ανέμου και την κατανομή της βροχόπτωσης. Η εισαγωγή της ανάδρασης της σκόνης σύστημα επιτρέπει ικανοποιητικότερη αναπαράσταση των φαινομένων.The scope of this thesis is to study the processes that govern dust production, transport and deposition of desert dust particles, the development of parameterizations for calculating the radiative impacts of dust on limited area models and finally the application of the system to the Mediterranean Area. The algorithms developed redefine the areas that can act as desert dust sources and improve the description of the physical processes that have to do with the dust cycle in the atmosphere. Also a new radiative transfer algorithm, RRTMG, has been modified to work in the framework of the SKIRON model for the purpose of quantifying the direct radiative feedback of mineral dust. The first and foremost effect of dust is the reduction of the incoming solar radiation through scattering and absorption. During the day the amount of energy absorbed by the dust cloud increases the heating rates of the atmospheric layer. On the contrary during the night dust particles emit longwave radiation towards the adjacent layers increasing their temperature. Also the outgoing radiation is trapped between surface and dust layer which causes heating in the lower troposphere. The dust feedback on radiation has a profound effect on the model performance on temperature, wind speed and precipitation. The introduction of dust feedbacks improves the representation of the atmosphere by the model